CN109655169A - 一种小型化温度测量电路 - Google Patents

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张彦
鲁浩
孟俊芳
徐剑芸
杨智贵
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    • H03K—PULSE TECHNIQUE
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    • H03K3/0232—Monostable circuits

Abstract

本发明公开了一种型化温度测量电路，属于测控技术领域，主要涉及一种用于微型机械电子装置或者MEMS的小型化温度测量电路，包括以下电路单元：阻抗变换单元、积分器单元、比较器单元、单稳态触发器单元、锁存器单元、整形电路单元和电子开关单元；电子开关的输出端与积分器单元的输入端连接。本发明通过将温度信号转换成成比例的频率信号，可以实现与装置的时钟同步、输出同步，便于接口电路和计数电路的统一设计，便于实现工作温度的采集和变送器件的小型化。

Description

一种小型化温度测量电路
技术领域
本发明属于测控技术领域，主要涉及一种用于微型机械电子装置或者 MEMS的小型化温度测量电路。
背景技术
现有技术中，温度测量数据的实时采集变送电路有两种实现方案，一是将传感器产生的电压、电流等模拟温度信号经A/D转换单元转换成数字信息并存入近端的寄存器，远端通过地址信号读取近端的寄存器中携带温度信息的数字信息，该方案可以保证温度测量数据采集变送的实时性，数据信息的编码解码和寄存器的读写实现需要具体的元器件或者集成电路；二是直接将传感器产生的电压、电流等模拟温度信号从近端传输至远端，同时设计温控电路，对电路中的关键元器件进行恒温控制，从而减小元器件性能指标因远端与近端的温度差引起的误差漂移。上述两种方案，电路结构都相对复杂，很难实现小型化设计或者进一步的微电子机械系统即MEMS设计。
在设计和制造集成电路时，行业中的描述方法为“基于电路单元的方法”，根据该方法，集成电路被视为是“电路单元”的组合，电路单元典型地包括一个或更多个晶体管，每个晶体管实现基本功能。电路单元可以是逻辑门、存储器单元或者可以实现更复杂的功能(触发器、积分器、锁存器等)。一般而言，电路单元包括以下信息：基本功能的功能描述(诸如真值表)；具体描述单元输入、输出和晶体管之间的连接的晶体管级网表；以及将被制造的单元的“布局”或两维拓扑视图。
发明内容
本发明的目的是提出一种性能好、成本低、功耗低的小型化温度测量电路，同时能有效满足微型机械电子装置的温度实时测量需求。实现与装置的时钟同步、输出同步，便于接口电路和计数电路的统一设计。
本发明提供的技术方案是：
一种小型化温度测量电路，包括以下电路单元：阻抗变换单元、积分器单元、比较器单元、单稳态触发器单元、锁存器单元、整形电路单元和电子开关单元；其中阻抗变换单元的输入端和输出端分别与温度传感器的输出端和积分器单元的输入端连接，积分器单元的输出端与比较器单元的输入端连接，比较器单元的输出端与单稳态触发器单元的输入端连接，单稳态触发器单元的输出端与锁存器单元的输入端连接，锁存器单元的输出端与整形电路单元的输入端和电子开关单元的控制端连接，电子开关的输出端与积分器单元的输入端连接。
在本申请的一个实施例中，小型化温度测量电路的电路单元还包括第一恒压源单元，第一恒压源单元的输出端与比较器单元的输入端连接。
在本申请的一个实施例中，小型化温度测量电路的电路单元还包括第二恒压源单元，第二恒压源单元的输出端与电子开关单元的输入端连接。
对上述各个实施例的进一步改进在于，小型化温度测量电路的电路单元刻蚀于同一硅晶片。
对上述实施例的进一步改进在于，硅晶片与温度传感器封装于同一芯片内。
本发明的一个方面带来的有益效果是，通过将温度信号转换成成比例的频率信号，可以实现与装置的时钟同步、输出同步，便于接口电路和计数电路的统一设计。
本发明采用了全电压有源积分、电荷平衡变换方式，对输入信号进行连续积分，既增强了电路的抗干扰能力，还可以保证温度信号采样的连续性，因为从对温度必须实时测量的角度出发，温度信号的变换过程必须是连续的，否则一旦经过长线传输，受到干扰就会丢失信息。该电路能在全温范围内工作而无需温控，具有变换精度高、分辨率高、电路结构紧凑等优点。
本发明所有电路单元可以采用标准电路单元，并且晶体管的数量可以控制在一个比较小的数量级，大尺寸的刻蚀制程即可实现，降低了半导体芯片的成本。
附图说明
图1是本申请一个实施例的小型化温度测量电路的结构框图；
图2是本申请一个实施例的阻抗变换单元的电路原理图；
图3是本申请一个实施例的阻抗变换单元的电路原理图；
图4是本申请一个实施例的芯片结构框图；
图5是本申请一个实施例的芯片结构框图。
其中，101、温度传感器，102、阻抗变换单元，103、积分器单元，104、比较器单元，105、单稳态触发器单元，106、锁存器单元，107、整形电路单元， 108、电子开关单元，109、第二恒压源单元，110、第一恒压源单元，200、硅晶片，300、芯片。
具体实施方式
本申请提供的实施例涉及一种电路结构紧凑、适于小型化的温度测量电路，该温度测量电路的晶体管等电子元件的数量级远小于AD转化后编码解码的寄存器电路，适于大尺寸的硅晶片刻蚀，降低制程成本；该温度测量电路可以在近端完成变送信号，远端不必设置温度补偿或者温度控制电路。
下面结合具体实施例，以清楚描述本申请的技术方案。
实施例一
本实施例首先提供了一种小型化温度测量电路，如图1所示，包括以下刻蚀于硅晶片200的电路单元：阻抗变换单元102、积分器单元103、比较器单元 104、单稳态触发器单元105、锁存器单元106、整形电路单元107、电子开关单元108、第一恒压源单元110和第二恒压源单元109。
其中阻抗变换单元的输入端和输出端分别与温度传感器的输出端和积分器单元的输入端连接，积分器单元的输出端与比较器单元的输入端连接，比较器单元的输出端与单稳态触发器单元的输入端连接，单稳态触发器单元的输出端与锁存器单元的输入端连接，锁存器单元的输出端与整形电路单元的输入端和电子开关单元的控制端连接，电子开关的输出端与积分器单元的输入端连接。第一恒压源单元的输出端与比较器单元的输入端连接。第二恒压源单元的输出端与电子开关单元的输入端连接。
以下结合具体电路，进一步说明本实施例的功能原理。本实施例中温度传感器101选用电流型温度传感器，可以将工作温度T转换成模拟电流信号Iin，模拟电流信号Iin通过阻抗变换单元102转化输出为模拟电压信号V0，阻抗变换单元102的输出端与积分器单元103的反相输入端连接，模拟电压信号V0输入积分器单元103后经过积分运算输出模拟电压信号V2，模拟电压信号V2与第二恒压源单元提供的基准电压经过比较器单元104比较，输出高电平或者低电平的电压信号V3。电压信号V3经过由相同时钟驱动的单稳态触发器单元105和锁存器单元106的处理，由锁存器单元106输出频率信号F4。频率信号F4一方面输入后端整形电路单元进行处理后输出携带有工作温度T的信息的脉冲信号F5传给远端的计数电路，以实现工作温度T的变送，形成最终的温度输出脉冲信号F5送给计数电路；另一方面作为电子开关单元108的控制信号使电子开关单元108导通。第一恒压源单元110提供可以使积分器单元反相输入端放电终止积分的复位电平V1，本实施例中第一恒压源单元110输出负电平，在电子开关单元108导通后，第一恒压源单元110将连接积分器单元103的反相输入端，并将积分器单元103的反相输入端拉至负电平，从而使积分器单元103 的输出复位。频率信号F4的产生原理是，积分器单元103的反相输入端拉至负电平的复位电流IR总是与模拟电压信号V0产生的电流的方向相反且大于模拟电压信号V0产生能够产生的最大电流，即第一恒压源单元110的拉电流能力大于阻抗变化单元的灌电流能力，积分器单元103开始放电，其输出的模拟电压信号V2逐渐降低，在放电过程中，当积分器单元103输出的模拟电压信号V2电平小于第二恒压源单元109提供的基准电压时，比较器单元104输出信号反转，复位电流IR被切断，积分器又开始充电，开始进行下一个变换周期。显而易见的，根据上述原理，可以计算出，在任意时刻最终输出的脉冲信号 F5＝k·V2/(IRt0)，其中k为与放电电阻相关的线性系数，t0为外部时钟的周期。
使用外部时钟可以是设置满量程输出频率，同时驱动电路和设置计数时间，可以使转换精度与时钟频率无关，不因时钟频率的改变而改变，易于与远端的控制系统的计数电路连接，有效保证了本实施例中小型化温度测量电路有较高的输出精度和稳定度。
本实施例中外部时钟频率为16kHz～4MHz，其满量程输出频率是外部时钟频率的一半，故最大满度输出频率为8kHz～1MHz，线性度误差典型值为± 0.02％；根据脉冲宽度要求，对各个电路单元中的元件参数进行适当匹配，可将线性误差调整到±0.01％。
该电路优点是采用了全电压有源积分、电荷平衡变换方式，对输入信号进行连续积分，既增强了电路的抗干扰能力，还可以保证温度信号采样的连续性，因为从对温度必须实时测量的角度出发，温度信号的变换过程必须是连续的，否则一旦经过长线传输，受到干扰就会丢失信息。该电路能在全温范围内工作而无需温控，具有变换精度高、分辨率高、电路结构紧凑等优点。
本申请的多个实施例中，所涉及的电路单元都可以是常规电流单元，如图 2、图3所示的阻抗变换单元和积分器单元的电路都可以用于本申请的实施例中，本领域技术人员可以根据本申请说明实现相应的电路或对相关电路进行进一步的优化。
实施例二
如图4所示，本实施例提供了一种小型化温度测量电路，其中第二恒压源单元109和第一恒压源单元110为硅晶片200之外的外部电路单元。第二恒压源单元109和第一恒压源单元110通过硅晶片的引线向小型化温度测量电路提供相关的基准电压，其中第一恒压源单元110可以是地或者负电平电源。
实施例三
如图5所示，本实施例提供了一种MEMS芯片300，其内部同时封装了刻蚀有小型化温度测量电路的硅晶片200和温度传感器101，可直接输出脉冲信号F5，用于远端接收工作温度信息。
本申请涉及的电路单元均可以为现有技术中各种标准电路单元，本领域技术人员通过对标准电路单元、标准电路单元的具体连接或硅晶片布局的改进以使本申请提供的小型化温度测量电路达到更好的技术效果，应视为落入本申请要求的权利保护范围。

Claims (5)

1.一种小型化温度测量电路，其特征在于，包括以下电路单元：阻抗变换单元、积分器单元、比较器单元、单稳态触发器单元、锁存器单元、整形电路单元和电子开关单元；其中阻抗变换单元的输入端和输出端分别与温度传感器的输出端和积分器单元的输入端连接，积分器单元的输出端与比较器单元的输入端连接，比较器单元的输出端与单稳态触发器单元的输入端连接，单稳态触发器单元的输出端与锁存器单元的输入端连接，锁存器单元的输出端与整形电路单元的输入端和电子开关单元的控制端连接，电子开关的输出端与积分器单元的输入端连接。
2.根据权利要求1所述的一种小型化温度测量电路，其特征在于，其电路单元包括第一恒压源单元，第一恒压源单元的输出端与比较器单元的输入端连接。
3.根据权利要求2所述的一种小型化温度测量电路，其特征在于，其电路单元包括第二恒压源单元，第二恒压源单元的输出端与电子开关单元的输入端连接。
4.根据权利要求1至3任一项所述的一种小型化温度测量电路，其特征在于，所述电路单元刻蚀于同一硅晶片。
5.根据权利要求5所述的一种小型化温度测量电路，其特征在于，所述硅晶片与所述温度传感器封装于同一芯片。
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